![]() | |||
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
![Hledej Hledej](images/search_th.png)
Ultrapřesné měření vzdálenosti aneb lze měřit tvar střely za letu?
Jakub Jirsa
Měření vzdálenosti je nedílnou součástí našeho všedního života. Každý den měříme různé vzdálenosti – o kolik centimetrů vyrostly naše ratolesti, jaké rozměry má nábytek, nebo velikosti místností, chceme-li je pronajmout. Pro tato měření nám stačí běžné měřicí přístroje (nejčastěji metr). Co když chceme měřit vzdálenosti s malou nejistotou, a to při vysokých rychlostech? Zde se situace značně komplikuje díky času, který máme na samotné měření k dispozici. Proto se často využívá technologie LIDARLIDAR – Light-Imaging Detection and Ranging, detekce a určování vzdálenosti za pomoci laseru. Jde o metodu zjišťování vzdálenosti a vlastností objektu na základě analýzy rozptýleného světla laseru. Analogií v rádiovém oboru jsou radary. Vzdálenost objektu se určí z časové prodlevy odraženého signálu. Lidary se využívají hojně v geologii, seismologii a při sledování vlastností atmosféry., která umožňuje provádět rychlá a přesná měření. Za pomocí laseru se osvítí objekt, jehož vzdálenost chceme znát. My jsme poté schopni detekovat paprsek odražený od objektu. Výslednou vzdálenost objektu zjistíme následovně: rychlost světla v daném prostředí vydělíme časem, který uplynul mezi vysláním a detekcí fotonů. Dráha je díky tomu dvojnásobná, musíme ji tedy vydělit dvěma. Systémy LIDAR se hojně využívají jak pro vědecké účely (mapování atmosféry, geologie atd.), tak v komerční sféře (řízení autonomních aut, průmyslová měření atd.). Zde je kladen důraz na přesná a rychlá měření. Husarský kousek se povedl vědcům z KITKIT – Karlsruhe Institute of Technology, jedna z největších výzkumných univerzit v Německu. Univerzita vznikla v roce 2009 sloučením Karlsruhské univerzity (založené v roce 1825) a Karlsruhského výzkumného centra (založeného v roce 1956). Z KIT a jejích předchůdců vzešlo šest nositelů Nobelových cen. Podle citačního indexu jde o šestou nejvýznamnější evropskou univerzitu. Příkladem vědeckých aktivit může být spektrometr KATRIN, který se pokouší změřit hmotnost neutrin., kterým se povedlo sestavit systém umožňující změřit polohu objektů pohybujících se rychlostí 150 m/s s rozlišením 2 µm.
![Třírozměrná rekonstrukce okolí automobilu s lidarem na střeše](2018_10/lidar-3d-reconstruction_th.jpg)
Třírozměrná rekonstrukce okolí z dat lidaru umístěného
na
střeše automobilu. Zdroj: Clear Path Robotics.
LIDAR – Light-Imaging Detection and Ranging, detekce a určování vzdálenosti za pomoci laseru. Jde o metodu zjišťování vzdálenosti a vlastností objektu na základě analýzy rozptýleného světla laseru. Analogií v rádiovém oboru jsou radary. Vzdálenost objektu se určí z časové prodlevy odraženého signálu. Lidary se využívají hojně v geologii, seismologii a při sledování vlastností atmosféry. KIT – Karlsruhe Institute of Technology, jedna z největších výzkumných univerzit v Německu. Univerzita vznikla v roce 2009 sloučením Karlsruhské univerzity (založené v roce 1825) a Karlsruhského výzkumného centra (založeného v roce 1956). Z KIT a jejích předchůdců vzešlo šest nositelů Nobelových cen. Podle citačního indexu jde o šestou nejvýznamnější evropskou univerzitu. Příkladem vědeckých aktivit může být spektrometr KATRIN, který se pokouší změřit hmotnost neutrin. EDFA – Erbium Doped Fiber Amplifier, vláknový zesilovač elektromagnetického signálu dopovaný erbiem. Zeslabený signál z optického vlákna je smísen se silným signálem jiné frekvence, který excituje erbiové atomy v zesilovači. Tyto excitované atomy předají energii zeslabenému signálu a poté se vrátí na původní energetickou hladinu. Jde o přímé zesílení signálu bez nutnosti ho převádět na elektrický signál. Heterodynní detektor – detekce intenzity i fáze elektromagnetického signálu založená na jeho smísení se signálem lokálního oscilátoru (heterodynu), jehož záření má stejný směr jako signál a pevně danou známou frekvenci. |
Dvojitý frekvenční hřeben
Optický frekvenční hřeben je systém, který má ve svém spektru miliony ekvidistantních čar. V časové oblasti tomu odpovídá interference mnoha signálů s různou frekvencí. Optický frekvenční hřeben lze realizovat několika způsoby. Jednou z hojně využívaných metod je použití laseru, který generuje ultra krátké pulzy (femtosekundy až desítky pikosekund). Jestliže takový laser generuje pulzy s určitou frekvencí a různou intenzitou, lze vygenerovat takový signál, který má ve frekvenční oblasti hřebenové spektrum.
V mnoha aplikacích (spektroskopie, měření vzdáleností atd.) se používá zapojení se dvěma frekvenčními hřebeny. Jeden signál je použit jako referenční a druhý jako měřicí. Po interferenci obou signálů je možné dopočítat hledaný parametr (například vzdálenost).
![Vznik frekvenčního hřebenu z laserových impulzů](2018_10/Comb_th.png)
Ukázka vytvoření frekvenčního hřebene ze série opakujících se impulzů, jejichž posun fáze postupně narůstá. Ve frekvenční oblasti vzniká ekvidistantní spektrum složené z mnoha frekvencí. Za objev metody optického frekvenčního hřebenu získali Nobelovu cenu za fyziku Roy Glauber, John Hall a Theodor Hänsch v roce 2005 (viz AB 47/2005, AB 15/2015). Zdroj: Caltech/Vahala.
Ultra přesné měření v KIT
Vědci z Karlsruhského institutu technologiíKIT – Karlsruhe Institute of Technology, jedna z největších výzkumných univerzit v Německu. Univerzita vznikla v roce 2009 sloučením Karlsruhské univerzity (založené v roce 1825) a Karlsruhského výzkumného centra (založeného v roce 1956). Z KIT a jejích předchůdců vzešlo šest nositelů Nobelových cen. Podle citačního indexu jde o šestou nejvýznamnější evropskou univerzitu. Příkladem vědeckých aktivit může být spektrometr KATRIN, který se pokouší změřit hmotnost neutrin. použili dva generátory hřebenového signálu – lokální oscilátor a generátor signálu. Signály z obou generátorů jsou zesíleny v erbiovém zesilovačiEDFA – Erbium Doped Fiber Amplifier, vláknový zesilovač elektromagnetického signálu dopovaný erbiem. Zeslabený signál z optického vlákna je smísen se silným signálem jiné frekvence, který excituje erbiové atomy v zesilovači. Tyto excitované atomy předají energii zeslabenému signálu a poté se vrátí na původní energetickou hladinu. Jde o přímé zesílení signálu bez nutnosti ho převádět na elektrický signál. a následně rozděleny pomocí vláknové rozbočnice do dvou větví v poměru 1:1. Takto vzniknou celkem čtyři signály. Dva z nich (jeden z lokálního oscilátoru a druhý z generátoru signálů) jsou sloučeny ve směšovači a přivedeny do heterodynního detektoruHeterodynní detektor – detekce intenzity i fáze elektromagnetického signálu založená na jeho smísení se signálem lokálního oscilátoru (heterodynu), jehož záření má stejný směr jako signál a pevně danou známou frekvenci., tento signál je použit jako referenční. Zbylé dva signály z obou genrátorů jsou také sloučeny ve směšovači a detekovány v heterodynním detektoru, rozdíl je ovšem v tom, že signál z generátoru signálu je vyveden ven kde se odrazí od měřeného objektu, a teprve potom dojde ke sloučení obou signálů – tak vznikne měřicí signál, který je ovlivněn vzdáleností objektu. Porovnáním obou signálů (referenčního a měřicího) je možné zjistit výslednou vzdálenost objektu. Podrobné schéma experimentu je na následujícím obrázku.
![Schéma experimentu na KIT](2018_10/schema_th.png)
Měřicí systém v Karlsruhském institutu technologií. Optický cirkulátor je zařízení, které vstupující svazek vyšle ven na nejbližším dalším výstupu. Erbiový zesilovač je označem EDFA, kontinuální laser písmeny CW (Continual Wave). Zdroj KIT.
![Měření profilu střely za letu a v klidu](2018_10/bullet_th.png)
Měření profilu střely za letu a v klidu. Souhlas profilu změřeného za letu s profilem měřeným staticky je vynikající. Liší se jen v zadní části střely, kde je vroubkování. Zdroj: Karlsruhský institut technologií (KIT).
Závěr
Vědci v Karlsruhském institutu technologií (KIT) dokázali zaznamenat vzdálenost letícího objektu, a tím jeho profil, s vysokou přesností za pomocí technologie dvojitého frekvenčního hřebenu. Měření proběhlo v rekordním čase. Odborníci z této špičkové evropské univerzity slibují, že brzy vyvinou systém v kapesní velikosti. Je tedy dobře možné, že autonomní auta budou používat právě jejich nově vyvinutou technologii.
![Umělecká vize budoucího čipu pro měření polohy za letu](2018_10/vize_th.png)
Umělecká vize budoucího čipu pro měření polohy za letu. Zkratka
PD označuje
fotodetektory. Zdroj: KIT.
Odkazy
- Takuro Ideguchi: Dual-Comb Spectroscopy; Optics & Photonics, Jan 2017
-
Tim Peckover: 3D LIDAR: True 3D Sensing and Spinning 2D Alternatives;
Clearpath Robotics, 10 Jan 2017 -
Jaroslav
Bursík, Jakub Kraus, Marek Štumper: Automation of Taxiing;
Magazine of AviationDevelopment, Vol 5, No 1 (2017) - Ecole Polytechnique Federale de Lausanne: Optical distance measurement at record-high speed; Physorg, 26 Feb 2018
- P. Trocha et al.: Ultrafast optical ranging using microresonator soliton frequency combs; Science, 23 Feb 2018
- RP Photonics Encyclopedia: Erbium-Doped Fiber Amplifiers
![Aldebaran Homepage](images/ald_small_a.gif)